JP6468632B2 - ジャーナル軸受装置及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、ジャーナル軸受装置及び回転機械に関する。

回転機械はステータに対してロータ（回転軸）が回転するものである。従来、回転機械には、特に大型のものの多くには、特許文献１に記載された滑り軸受が使用されている。
滑り軸受には、特許文献１及び２に記載されているように、ロータを径方向に支持するジャーナル軸受と、ロータを軸方向に支持するスラスト軸受とがある。両軸受では、油等の作動流体の潤滑摺動面に接する、ホワイトメタル等で形成された軸受部材をベースメタル（ベース部材）で保持することで、ロータを軸受部材を介してベースメタルで保持する構造が一般的である。

特開２００６−１０５３０９号公報 実開平２−１１４２２０号公報

しかしながら、これらの軸受には、以下のような問題点がある。すなわち、何らかの原因で軸受部材が損傷すると、軸受部材が流出してロータがベースメタルに直接接触し、軸受の損傷が大きくなる。この損傷が生じた場合、ロータが径方向又は軸方向に移動することで、軸受装置周辺にも損傷が生じる可能性がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、軸受部材が損傷しても回転軸がベース部材に直接接触するのを抑制したジャーナル軸受装置及び回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明のジャーナル軸受装置は、軸受ハウジングにベース部材が保持され、前記ベース部材の表面に軸受部材が取付けられて回転軸を支持するジャーナル軸受装置であって、前記軸受ハウジングには補助軸受部材が設けられ、前記補助軸受部材は、前記軸受部材が前記回転軸に対向する支持面よりも前記回転軸から離間し、前記ベース部材よりも前記回転軸に接近した補助支持面を有し、前記軸受部材及び前記補助軸受部材は、前記回転軸の周方向に交互に並ぶように配置されていることを特徴としている。
この発明によれば、軸受部材が損傷したときに回転軸は軸受部材側に移動する。このとき、回転軸は補助軸受部材の補助支持面により支持される。したがって、軸受部材が損傷しても回転軸がベース部材に直接接触するのを抑制することができる。

また、上記の軸受装置において、前記補助軸受部材は、前記軸受部材よりも硬く、前記回転軸よりも柔らかいことがより好ましい。
この発明によれば、補助軸受部材が軸受部材よりも硬いことで、回転軸を補助軸受部材でより確実に支持することができる。また、補助軸受部材が回転軸よりも柔らかいことで、回転軸が補助軸受部材に接触したときに回転軸が傷つくのを抑えることができる。
また一例として、上記の軸受装置において、前記軸受部材はホワイトメタルで形成され、前記補助軸受部材は銅合金で形成されている。
また、本発明の回転機械は、上記のいずれかに記載の軸受装置を備えることを特徴としている。
この発明によれば、回転機械が備える軸受装置について、軸受部材が損傷しても回転軸がベース部材に直接接触するのが抑制される。

本発明のジャーナル軸受装置及び回転機械によれば、軸受部材が損傷しても回転軸がベース部材に直接接触するのを抑制することができる。

本発明の一実施形態の蒸気タービンの全体構成を示す断面図である。 同蒸気タービンのジャーナル軸受装置の断面図である。 同蒸気タービンのスラスト軸受装置の断面図である。 同ジャーナル軸受装置の作用を示す断面図である。 同スラスト軸受装置の作用を示す断面図である。 本発明の変形例の実施形態における蒸気タービンの要部の断面図である。

以下、本発明に係る回転機械が蒸気タービンである場合の一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン１は、蒸気タービン１に流入する蒸気の量と圧力を調整する調整弁１０と、圧力を保持するケーシング２０と、動力を発生する動力発生部３０と、動力をコンプレッサ等の機械に伝達する回転軸（ロータ）４０と、回転軸４０を軸線Ｃ周りに回転可能に支持する本実施形態のジャーナル軸受装置（軸受装置）５０及びスラスト軸受装置（軸受装置）６０とを備えている。
回転軸４０は、軸線Ｃに沿って延びる棒状の軸本体４１と、略フランジ状に形成され軸本体４１の外周面に設けられたスラストカラー４２とを有している。軸本体４１及びスラストカラー４２は、鍛鋼等の金属で一体に形成されている。

調整弁１０は、ケーシング２０の内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気が流入する調整弁室１１と、弁体１２と、弁座１３とを備えている。
弁座１３は、略円筒形状をし、その軸心は回転軸４０の軸線Ｃと直交している。弁座１３の内径は、回転軸４０に向かうにしたがって徐々に拡大し、弁座１３の先端部は蒸気室１５に連通している。弁座１３の蒸気室１５に対して反対側端部の内面は、内側に凸な曲率を持つ曲面１３ａを形成している。
弁体１２の下部形状は、球体の一部分を形成しており、弁座１３の曲面１３ａに接離可能に設けられている。弁体１２が、弁座１３から離れると蒸気流路が開き、弁座１３に接触すると蒸気流路が閉じられることになる。
調整弁１０は、弁体１２の開け閉めにより蒸気流量を制御する。さらに、複数の調整弁１０の開閉タイミングを調整して蒸気タービン１の出力を制御する。

蒸気室１５は、調整弁１０から流入する蒸気を動力発生部３０に案内するものであり、略ドーナツ型形状をしている。蒸気室１５の蒸気流路は内側に向かうにしたがって、狭くなるとともに回転軸４０の軸線Ｃと平行な向きに偏向している。

動力発生部３０は、ケーシング２０に固定されたノズル３１と、回転軸４０に取り付けられた動翼３２とを備えている。
ノズル３１と動翼３２との１組を段落といい、本実施形態では６段落備えている。ノズル３１は、蒸気通路内で蒸気を膨張させて速度エネルギーを生み、流れの向きを変えて軸の回転方向の運動量を作る作用をする。
動翼３２は、ノズル３１で速度エネルギーに変換された蒸気のエネルギーを回転軸４０の回転エネルギーに変換する作用をする。

ノズル３１は、放射状に多数配置され、ケーシング２０に強固に固定されたリング状の仕切板外輪３３と、リング状の仕切板内輪３４とで保持されている。仕切板内輪３４の回転軸４０側の端部と回転軸４０との間には、蒸気漏れを防止するシール構造となっている。ロータである回転軸４０と仕切板間のシール構造としてラビリンス構造を採用している。

動翼３２は、放射状に多数配置され、回転軸４０に突出して円筒状に設けられた図示しないディスクの外周部に強固に取り付けられている。最終段の動翼３２の先端には、シュラウド３５が取り付けられ、仕切板外輪３３側のシュラウド３５に対向する位置には、蒸気漏れを防止するためのフィン（不図示）が取り付けられている。

本実施形態では、回転軸４０に軸線Ｃ方向に間隔をおいて一対のジャーナル軸受装置５０が設けられている。一対のジャーナル軸受装置５０の構成は同一なので、一方のジャーナル軸受装置５０の構成について説明する。
図２は、ジャーナル軸受装置５０の軸線Ｃを含む平面による断面図である。ジャーナル軸受装置５０はティルティングパッドタイプのものであり、筒状に形成された軸受ハウジング５１の凹部５１ａ内にベースメタル（ベース部材）５２が保持されている。軸受ハウジング５１の凹部５１ａは、軸受ハウジング５１の筒孔の内周面５１ｂに形成されている。ベースメタル５２は、軸線Ｃ周りに複数設けられている。それぞれのベースメタル５２の表面５２ａには軸受部材５３が取付けられている。各軸受部材５３は、回転軸４０の軸本体４１を支持している。
軸受ハウジング５１の内周面５１ｂには、補助軸受部材５４が設けられている。

補助軸受部材５４は、軸受部材５３が軸本体４１に対向する摺動面である支持面５３ａよりも軸本体４１から離間した補助支持面５４ａを有している。言い換えれば、軸受部材５３の支持面５３ａは軸本体４１に対向している。軸本体４１と軸受部材５３との間よりも、軸本体４１と補助軸受部材５４との間の方が離間している。補助支持面５４ａは平坦な面であり、補助支持面５４ａはベースメタル５２よりも軸本体４１に接近している。
補助軸受部材５４はリング状に形成されていてもよいし、軸線Ｃ周りに複数並べて配置されていてもよい。補助軸受部材５４は、ベースメタル５２及び軸受部材５３を軸線Ｃ方向に挟むように配置されている。補助軸受部材５４は、軸受部材５３が摩耗したときに軸本体４１を支持するものである。
補助軸受部材５４を軸受ハウジング５１に取付けるのにボルト等を用いてもよいし、溶接や溶射等の方法を用いてもよい。

軸受ハウジング５１及びベースメタル５２は、鉄鋼等の金属で形成することができる。軸受部材５３はホワイトメタル等で形成されている。補助軸受部材５４は銅合金等で形成されている。補助軸受部材５４は、軸受部材５３よりも硬く、回転軸４０の軸本体４１よりも柔らかい。
軸受部材５３の厚さＬ１が３ｍｍ程度と比較的薄い場合には、軸受部材５３の支持面５３ａと補助軸受部材５４の補助支持面５４ａとの距離Ｌ２を以下のように設定する。すなわち、距離Ｌ２を、１ｍｍ以上軸受部材５３の厚さＬ１以下、例えば１〜２ｍｍ程度にする。補助支持面５４ａは、軸本体４１における軸受部材５３の支持面５３ａが対向する外面である摺動領域４１ａとは異なる軸本体４１の外面に対向させる。
各ジャーナル軸受装置５０が備える補助支持面５４ａが軸本体４１に一度に接触する面積は、回転軸４０、及び回転軸４０の付属品の質量の合計を前述の面積で除した値が補助軸受部材５４を形成する銅合金の強度（破壊強度）未満になるように設定する。

スラスト軸受装置６０もジャーナル軸受装置５０と同様に構成されている。図３は、スラスト軸受装置６０の軸線Ｃを含む平面による断面図である。すなわち、スラスト軸受装置６０は軸受ハウジング６１の凹部６１ａ内に、レベリング機能メカニズムであるレベラー６６を介してベースメタル（ベース部材）６２が保持されている。なお、前述のケーシング２０、ノズル３１、軸受ハウジング５１、６１、及びベースメタル５２、６２で、ステータ７０（図１参照）を構成する。ステータ７０は、回転軸４０の外周に設けられている。
軸受ハウジング６１の凹部６１ａは、軸受ハウジング６１の軸線Ｃに直交する側面６１ｂに形成されている。ベースメタル６２の表面６２ａには軸受部材６３が取付けられて回転軸４０のスラストカラー４２を支持している。

軸受ハウジング６１の側面６１ｂには、補助軸受部材６４が設けられている。補助軸受部材６４は、軸受部材６３がスラストカラー４２に対向する摺動面である支持面６３ａよりもスラストカラー４２から離間した補助支持面６４ａを有している。補助支持面６４ａは平坦な面であり、ベースメタル６２よりもスラストカラー４２に接近している。
補助軸受部材６４は、ベースメタル６２及び軸受部材６３を径方向に挟むように配置されている。

軸受部材６３はホワイトメタル等で形成されている。補助軸受部材６４は銅合金等で形成されている。補助軸受部材６４は、軸受部材６３よりも硬く、回転軸４０のスラストカラー４２よりも柔らかい。
軸受部材６３の厚さＬ３が３ｍｍ程度と比較的薄い場合には、軸受部材６３の支持面６３ａと補助軸受部材６４の補助支持面６４ａとの距離Ｌ４を、例えば１〜２ｍｍ程度にする。

ジャーナル軸受装置５０及びスラスト軸受装置６０によって回転可能に支持された回転軸４０は、動力発生部３０で発生した動力をコンプレッサ等の機械に伝達する作用をする。回転軸４０とケーシング２０の間には、蒸気等の漏れを防止するシール構造が設けられている。蒸気タービン１を作動させて仕事を終えた排気蒸気は、図１に示す排気室７２を通って図示しない復水器に送られる。

次に、以上のように構成された蒸気タービン１の両軸受装置５０、６０の作用について、まずジャーナル軸受装置５０の場合を説明する。
蒸気タービン１の通常の運転時においては、図２に示すように補助軸受部材５４は、軸受部材５３の支持面５３ａよりも回転軸４０の軸本体４１から離間した補助支持面５４ａを有している。このため、軸本体４１は軸受部材５３で形成される油膜に支持され、軸本体４１が補助軸受部材５４に直接接触しない。軸本体４１と軸受部材５３及び補助軸受部材５４との間には、図示しない油等の作動流体がある。
図４に示すように、何らかの原因でジャーナル軸受装置５０の軸受部材５３が損傷して流出し、軸受部材５３の厚さが薄くなったとする。補助軸受部材５４は補助支持面５４ａを有するため、回転軸４０の軸本体４１が径方向外側（軸受部材５３側）に移動しても、軸本体４１は補助軸受部材５４の補助支持面５４ａに支持され、軸本体４１がベースメタル５２に直接接触しない。
補助軸受部材５４の補助支持面５４ａが軸受機能を有するので、蒸気タービン１に大きな損傷が生じることなく、回転軸４０を停止させることができる。

次に、スラスト軸受装置６０の場合について説明する。
蒸気タービン１の通常の運転時においては、図３に示すように補助軸受部材６４は、軸受部材６３の支持面６３ａよりも回転軸４０のスラストカラー４２から離間した補助支持面６４ａを有している。このため、スラストカラー４２は軸受部材６３に支持され、スラストカラー４２が補助軸受部材６４に直接接触しない。スラストカラー４２と軸受部材６３及び補助軸受部材６４との間には、図示しない油等の作動流体がある。
なお、スラスト軸受装置６０では軸受ハウジング６１とベースメタル６２との間にレベラー６６が設けられているため、スラストカラー４２と軸受部材６３が傾いた場合でも軸受部材６３に作用する応力を均一化させることができる。

図５に示すように、何らかの原因でスラスト軸受装置６０の軸受部材６３が損傷して流出し、軸受部材６３の厚さが薄くなったとする。補助軸受部材６４は補助支持面６４ａを有するため、回転軸４０のスラストカラー４２が軸方向（軸受部材６３側）に移動しても、スラストカラー４２は補助軸受部材６４の補助支持面６４ａに支持され、スラストカラー４２がベースメタル６２に直接接触しない。

以上説明したように、本実施形態のジャーナル軸受装置５０、スラスト軸受装置６０、及び蒸気タービン１によれば、軸受部材５３、６３が損傷したときに、回転軸４０は軸受部材５３、６３側に移動する。このとき、回転軸４０は補助軸受部材５４、６４の補助支持面５４ａ、６４ａにより支持される。したがって、軸受部材５３、６３が損傷しても回転軸４０がベースメタル５２、６２に直接接触するのを抑制することができる。
補助軸受部材５４が軸受部材５３よりも硬いことで、回転軸４０の軸本体４１を補助軸受部材５４でより確実に支持することができる。また、補助軸受部材５４が軸本体４１よりも柔らかいことで、軸本体４１が補助軸受部材５４に接触したときに軸本体４１が傷つくのを抑えることができる。補助軸受部材６４についても補助軸受部材５４と同様である。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
例えば、前記実施形態は、図６に示すジャーナル軸受装置５０Ａのように、軸受部材８３及び補助軸受部材８４が回転軸４０の周方向に交互に並ぶように配置してもよい。この場合においても、軸受部材８３の支持面８３ａに接する仮想円Ｃ１と補助軸受部材８４の補助支持面８４ａとの距離Ｌ５を、例えば１〜２ｍｍ程度にする。

ベース部材であるベースメタル５２、６２は金属で形成されているとしたが、ベース部材は金属以外の例えばグラファイト等で形成されてもよい。
補助軸受部材は軸受ハウジングに取付けられるとしたが、補助軸受部材を取付ける部材は特に限定されない。例えば、補助軸受部材を公知のキャリングケース等に取付けてもよい。
ジャーナル軸受装置５０がティルティングパッドタイプであるとしたが、ジャーナル軸受装置はスリーブタイプでもよい。
回転機械は蒸気タービン１であるとしたが、回転機械はこれに限定されずコンプレッサ等でもよい。

１ 蒸気タービン（回転機械）
４０ 回転軸（ロータ）
５０、５０Ａ ジャーナル軸受装置（軸受装置）
５１、６１ 軸受ハウジング
５２、６２ ベースメタル（ベース部材）
５２ａ、６２ａ 表面
５３、６３、８３ 軸受部材
５３ａ、６３ａ 支持面
５４、６４、８４ 補助軸受部材
５４ａ、６４ａ 補助支持面
６０ スラスト軸受装置（軸受装置）
７０ ステータ

Claims (4)

1. 軸受ハウジングにベース部材が保持され、前記ベース部材の表面に軸受部材が取付けられて回転軸を支持するジャーナル軸受装置であって、
   前記軸受ハウジングには補助軸受部材が設けられ、前記補助軸受部材は、前記軸受部材が前記回転軸に対向する支持面よりも前記回転軸から離間し、前記ベース部材よりも前記回転軸に接近した補助支持面を有し、
   前記軸受部材及び前記補助軸受部材は、前記回転軸の周方向に交互に並ぶように配置されているジャーナル軸受装置。
2. 前記補助軸受部材は、前記軸受部材よりも硬く、前記回転軸よりも柔らかい請求項１に記載のジャーナル軸受装置。
3. 前記軸受部材はホワイトメタルで形成され、
   前記補助軸受部材は銅合金で形成されている請求項１又は２に記載のジャーナル軸受装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のジャーナル軸受装置を備える回転機械。

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